ZESZYTY BA«K0»3 POLITKC;głIKI ŚLĄSKIEJ Seria: AUTOMATYKA z. 35
_______1976 Nr kol. 480
Henryk KOLKA
Dariusz CYGAITKIKWICS Jon DEBUDAJ
STABILIZATOR IMPULSOWY O DUŻYM ZAKRESIE ZMIAK NAPIĘCIA V,'YJŚCIOWEGO
Streszczenie. '!! artykułu przedstawiono proclercy występujące przy projektowaniu stabilizatorów impulsowych o dużyrc zakresie zmian na
pięć wejściowego i wyjściowego, a także wysokiej wartości napięcia wyjściowego. Zaproponowane rozwiązanie tych problemów na przykła
dzie budowy stabilizatora impulsowego redukującego napięcie wprost z sieci.
Zasada impulsowej regulacji znajduje coraz szersze zastorew/anie we współ
czesnych rozwiązaniach stabilizatorów napięcia i prądu stałego. i'-,zwala ona na realizację układów, których wymiary, sprawność energetyczna i cię
żar są znacznie mniejsze od tych, które oparte były o zasadę ciągłej regu
lacji napięcia.
Jedną z właściwości tych układów jest możliwość uzyskania ć iżego za
kresu dopuszczalnych zrcian napięcia wyjściowego. Możliwy jest tu także szeroki zakres zmian napięcia wejściowego oraz duży poziom składowej zmien
nej na filtrzo wejściowym. Jednak projektowanie tych układów, których na
pięcie wejściowe jest rzędu kilkudziesięciu wolt, nie jest proste,a także wymaga zastosowania nowych rozwiązań układowych, gwarantujących poprawność pracy całego stabilizatora. Tym zagadnieniom poświęcone będą przedstawio
ne w pracy rozważania, szerzej omówione w pracy [b].
Prawidłowy dobór elementów stabilizatora i jego punktu pracy musi za
pewnić poprawność jego działania tak w stanie ustalonym, jak i w stanach przejściowych, co jest rozpatrzone w pracach £2] , [^3] , [6].
Z powyższych warunków wynika między innymi konieczność zapewnienia w układzie:
a) impulsowego ograniczenia maksymalnej wartości prądu klucza,
b) poprawnej pracy klucza tranzystorowego Iprzy dużym zakresie zmian Uwe i Uwy).
Rozwiązanie pierwszego problemu jest bardzo istotne z tego względu, że tak przy załączeniu układu do sieci, jak i przy jego dociążeniu występu
ją stany przejściowe, w trakcie których może być znacznie przekroczona do
puszczalna wartość prądu klucza tranzystorowego. Kależy się tu również li
czyć z możliwością wystąpienia na kluczu tranzystorowym impulsu mocy rzę
du od kilkuset W do kilku k\V.
Także w etanie ustalonym układy takie nie mogą pracować, w warunkach, U zad
gdy jest R-<T f . Rozwiązanie tych zagadnień jest możliwe w przypad- 0 o dop
ku zastosowania dwóch sprzężeń zwrotnych o charakterystyce przekaźnikowej;
a) napięciowego - działa ono tak jak w klasycznym stabilizatorze impulso
wym z regulatorem dwupołożeniowym. Stan klucza zależy tu od tego, jaka jest wartość napięcia wyjściowego podanego na wejście regulatora.
Stabilizator pracuje z tym sprzężeniem zwrotnym, o ile jest IQ< IQ b) prądowego - działa ono wówczas, gdy prąd klucza tranzystorowego osiąga
swoją dopuszczalną wartość. W tym pr-.ypadku układ rozpoczyna pracę z impulsowym ograniczeniem prądu.
Należy zaznaczyć, że projektowany układ winien być tak zrealizowany,by w całym zakresie pracy zachował stałą wartość stosunku składowej zmien
nej napięcia wyjściowego, do jego wartości średniej.
Koncepcja takiego rozwiązania jest pokazana na rys. 1.
104_________________________________ H, Kolka, D. C.ygar.kiewicz, J. Debudaj
U we
^rrro— uinnn- i
USP
n
Rp
i
CsOe
* —
U wy Jflo
Ro
USK
r
n
U oxqcLRys. 1. Struktura stabilizatora impulsowego
USP - człon przekaźnikowy sprzężenia prądowego, USN - człon przekaźnikowy sprzężenia napięciowego, K - klucz tranzystorowy, USK - układ sterowania
klucza
Stabilizator Impuaowy o dużym zakresie zmian napięcia. 105
Drugi zaznaczony we wstępie problem, tzn. zapewnienie poprawności pra
cy klucza tranzystorowego jest równie złożony. Trudności z jakimi można się tu spotkać to:
a) zapewnienie poprawnej pracy klucza tranzystorowego tak w stanie nasy
cenia, jak i odcięcia, w szerokim zakresie napięć wejściowych i wyj
ściowych lUwe e <180-250>V, Uwye<50-150>V)j
b) zapewnienie jak najmniejszych strat mocy na przełączanie,co osiąga się przy odpowiednio stromych i zmieniających się równocześnie zboczach na
pięcia i prądu kolektorowego klucza tranzystorowego.
Rozwiązanie tego zagadnienia pokazano na rys. 2, na podst. pracy [7 ].
Zaproponowano tu wykorzystanie transformatora impulsowego do przenoszenia impulsu sterującego. Napięcie wejściowe ma kształt prostokątny i otrzymane jest z układu sprzężenia zwrotnego.
Jeżeli biegunowość napięcia U ’ oraz U" jest taka, jak to pokazano na rys. 2, to równocześnie odbywa się:
a) wysterowanie klucza złożonego z tranzystorów T1 oraz Tg-Prądowy im
puls sterujący tranzystor Tg jest kształtowany przy pomocy kondensa
tora C.j oraz rezystora R^,
b) ładowanie kondensatora Cg w obwodzie U", Cg, R^, Dg.
Uwaga i napięcia +5 V i —20 V oznaczono względem potencjału +Uo
Stabilizator impusowy o dużym zakresie zmian napięcia. 107
Jeżeli biegunowości napięć U' oraz U" zmienią się na przeciwne to na
stępuje nasycenie tranzystora i pojawia się ujemne napięcie pomiędzy bazą a emiterem klucza. Pozwala to na zmniejszenie czasu przeciągania prą
du kolektorowego i na zwiększenie stromości opadania zbocza tego prądu, a więc wpływa na zwiększenie sprawności.
Pełny schemat omawianego zasilacza impulsowego jest pokazany na rys.3.
V/ układzie tym napięcie wejściowe jest uzyskiwane w wyniku jednopołówko- wego prostowania napięcia zmiennego jednofazowego. Stwierdzono;iż dla po
prawnej pracy układu wystarcza zastosowanie filtru pojemnościowego.
W zakresie normalnej pracy układu, (tj. gdy pracuje on jako stabiliza
tor napięciowy), moment załączenia i wyłączenia klucza jest wypracowany przez sprzężenie zwrotne napięciowe, zrealizowane w oparciu- o komparator LM311.
Prądowe sprzężenie zwrotne oparte jest w swej budowie o przerzutnik Schmitta w wersji scalonej typu SN 7413. Aby zapewnić poprawność pracy u- kładu (zgodnie z postawionymi wymaganiami),należało znacznie zawęzić stre
fę histerezy tego przerzutnika, co zrealizowano przez odpowiednie połącze
nie dwóch przerzutników z bramkami NAND.
Współpracę dwóch sprzężeń zwrotnych można opisać na przykładzie docią
żenia stabilizatora. Załóżmy, iż stabilizator został skokowo obciążony o- U
pornością RQ taką, że jest spełniony warunek ",Cy > 1Q ¿0p- Wówczas, tak jak w każdym stabilizatorze impulsowym, nastąpi wyładowywanie konden
satora sterownika C0 prądem I0 lt) = - IRo(t) + Ij/t). Obniżający się poziom napięcia wyjściowego U utrzymuje poprzez USN klucz tranzysto
rowy w stanie nasyconym. Powoduje to wzrost prądu do jego dopu
szczalnej wartości i spadek napięcia na rezystorze Rp osiąga wartość rów
ną progowi zadziałania przekaźnikowego sprzężenia prądowego i w efekcie zostaje odłączony klucz tranzystorowy. W dalszej kolejności ustali się ta
ki stan, że U ('t) będzie poniżej poziomu zadziałania napięciowego sprzę
żenia zwrotnego, a momenty załączenia i wyłączenia klucza będą wyznaczone przez poziomy załączenia i wyłączenia prądowego, przekaźnikowego sprzęże
nia zwrotnego. Ta idea została zrealizowana w układzie pokazanym na ry
sunku 3 w wyniku odpowiedniego połączenia ze sobą wyjść obydwu sprzężeń zwrotnych. Pewne opracowania dotyczące projektowania impulsowych stabili
zatorów napięcia można znaleźć w literaturze [l],[4], [i].
Wnioski końcowe
1. Przeprowadzone badania stabilizatora wykazały pełną przydatność zasto
sowanej koncepcji. V/ układzie osiągnięto:
a) możliwość regulacji napięcia wyjściowego w zakresie od 50£150 V (na pięcia stałego),
108 H. Kolka, D. Cygankiewicz, J. Debudaj
b) możliwość zmian napięcia wejściowego v/ zakresie od 180r250 V Iwar- tość skuteczna napięcia zmiennego),
c) zakres zmian poziomu ograniczenia prądowego od 1f5 A,
d) współczynnik stabilizacji napięcia wyjściowego przy zmianach + 20%
Uwe ” rzedu 0,04%,
e) oporność wyjściową rw y < 4 . 10~^ R0 ,
f) pulsację napięcia wyjściowego X . =» ^— 22^1 0,05%
AU
ośr g) częstotliwość pracy 15f20 kHz,
h) sprawność układuij ^-90%.
2. Mimo, iż moc wyjściowa układu jest rzędu 700 W, układ ten posiada małe wymiary Iwraz z układami zabezpieczeń i sterowania posiada objętość mniejszą od dwóch decymetrów sześciennych).
3. Wybór częstotliwości pracy umożliwił znaczne zmniejszenie efektów aku
stycznych - tak kłopotliwych do wytłumienia w stabilizatorach impulso
wych.
4. Przyjęcie Iw trakcie projektowania układu) dużej wartości prądu kry
tycznego pozwoliło na znaczne zmniejszenie wymiarów dławika, przy rów
noczesnym polepszeniu zachowania się układu w stanach dynamicznych ob
ciążenia i dociążenia.
5. Gdyby istniała potrzeba zmniejszenia wartości składowej zmiennej napię
cia wyjściowego, to można to uzyskać rozbudowując zaproponowany w arty
kule układ o dodatkowy człon ciągły, który będzie pracował jako filtr czynny Iprzy małym spadku napięcia na tym układzie).
6. Opracowane impulsowe ograniczenie prądu może być stosowane w większo
ści impulsowych stabilizatorów napięcia i spełniać tam rolę startu o- raz zabezpieczenia przed przeciążeniem lub zwarciem.
Przedstawiony w artykule układ może znaleźć szerokie zastosowanie w za
silaczach laboratoryjnych. Może on także służyć do zasilania szeregu urzą
dzeń elektronicznych, których warunki pracy są zbliżone do tych, jakie by
ły rozpatrywane przy projektowaniu i budowie omówionego stabilizatora.
Stabilizator Impusowy o dużym zakresie zmian napięcia. 109
LITERATURA
[ 1 ] Hhatek E.R. t Disign of solid-state power supplies, Van Nostrand Rein
hold Campany 1971.
[2] Kolka H.! Projektowanie impulsowych stabilizatorów napięcia, Irozpra- wa habilitacyjna - w przygotowaniu).
[3] Pałczyński B., Stefański W. i Półprzewodnikowe stabilizatory napięcia i prądu stałego, MON Warszawa 1971..
[4] Manuel d»applications C.I.L. Tome 2, Régulateurs de Tension - Cat.
Sescosem 1972.
[5] Linear integrated circuits - cat. Sescosem 1972.
[ó] Cygankiewicz D., Debudaj J.s Praca dyplomowa w Instytucie Elektroniki, 1975 r.
[7] Hewlett-Packard Journal april 1973, High Effieciency Modular Power Sup
plies Using Switching Regulators.
HMnyjIbCHHiî HCT09HHK HHTAHHH
CBOJIHUOM ®!AnA30H0M H3MEH BHXOÄHOrO HAnPiDiCEHHH
P e a » M e
B c T a T t e H 3Jiara»TCH npoöjieuu B 0 3 HHKax>trçHe n p a n p o e K T H p o B a H H H HunyjitCHUx H C T O V H H K O B C H T a H H H C ÖO-HBIUHM A H a n a 3 0 H 0H H S U e H e H H Ü B X 0 A H 0 T 0 H B U X O A H O r O H a - n p a s e H H a . IlpeAa a r a e T C Ä p e m e H H e o r u x npoÖJieM H a n p a u e p e H 3 roTOBJieHHH minyjiBo- H o r o H C T O H H H K a H H T a H H H peAyhHpyioąero H a n p a a e H H e H e n o c p e A C T B e H H o H 3 ceiH.
SWITCHING VOLTAGE REGULATOR WITH LARGE OUTPUT VOLTAGE CHANGING RANGE
S u m m a r y
The paper presents project problems related to the switching voltage regulators with large range of output voltage changes.